張麗娜，高長銀，劉敏珊

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院，河南鄭州 450015;2.鄭州大學，河南鄭州 450002)

0 引言

百葉窗翅片對空氣造成擾流，從而使邊界層變薄，降低熱阻，所以百葉窗式空氣冷卻器被廣泛應用于汽車空調換熱器。近年來，國內外許多學者對百葉窗翅片換熱器的流動、傳熱和阻力特性進行試驗和模擬研究［1－5］。AOKI等［6］通過對百葉窗翅片傳熱的試驗研究得到，空氣流速較低，隨著翅片間距的增加，傳熱系數(shù)降低;同時，在28°～30°百葉窗角度，傳熱系數(shù)達到最大值。ANTONIOU等［6］通過放大模型試驗研究，發(fā)現(xiàn)在ReLp達到1300，流動保持層流和穩(wěn)定狀態(tài);當ReLp＞1300，該第一或第二百葉窗開始湍流。TAFTI等［8］從葉窗翅片結構研究中發(fā)現(xiàn)，ReLp等于400時，百葉窗出口尾流處出現(xiàn)失穩(wěn)。由于結構參數(shù)(如百葉窗角度、百葉窗間距、百葉窗長度、翅片間距等)較多，優(yōu)化百葉窗翅片結構，需要很長的時間，同時試驗費用較高;而數(shù)值模擬研究克服了這些困難，同時，能夠獲得較為詳細和直觀的翅片間流動與傳熱信息，從而被廣泛應用于研究。

HSIEH等［9］利用數(shù)值模擬方法，對百葉窗翅片不同的角度下，換熱器的傳熱和壓降特性進行研究，發(fā)現(xiàn)不同傾斜角度相對同一種傾斜角度時，具有較高的傳熱特性，但還具有較高的阻力損失。PERROTIN等［10］對緊湊式百葉窗換熱器進行了二維和三維數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)二維模型高估了傳熱系數(shù)(高達80%)，使用三維模型的計算結果與試驗數(shù)據(jù)非常接近。

文中在矩形百葉窗的基礎上提出了梭形、矩/梭形百葉窗結構，矩/梭表示百葉窗翅片矩形長度與梭形長度的比，相鄰百葉窗中間翅片部分(固體)切除，形成流體流動通道。由于在接近管壁附近，邊界層較厚，梭形、矩/梭形百葉窗形狀為中間較寬，從中間向管連接方向漸縮，流體在接近管連接部位速度較高，以較高流速沖刷管壁，相對矩形百葉窗而言，梭形、矩/梭形百葉窗管壁附近流體邊界層較薄，具有較高的溫度梯度，從而增強了管壁附近換熱。文中應用FLUENT軟件，對不同百葉窗結構下空氣的流場、壓力場和溫度場進行了計算研究，分析不同Re數(shù)對換熱和流動性能的影響。

1 模擬結構與邊界條件

采用空調氣冷器的百葉窗翅片為實際物理模型，由于結構的對稱性，模擬中采用一半的百葉窗翅片長度。其結構單元百葉窗翅片如圖1所示，圖1(a)為矩形百葉窗結構、圖1(b)為梭形百葉窗結構、圖1(c)為矩/梭形百葉窗結構、圖1(d)為矩形長度和梭形長度的示意圖。模擬計算邊界條件見圖2。扁管管壁采用定壁溫358 K，在與流動垂直方向上采用周期性邊界條件，百葉窗固體壁面與流體進行耦合換熱，流動介質選用空氣，采用速度進口，進口溫度為308 K，壓力出口，壓力速度耦合采用SIMPLIC算法，并且采用二階迎風格式進行離散。網格劃分采用結構化網格和非結構化網格相結合的技術方法，控制整個計算空間的網格質量不低于0.8，同時確保網格數(shù)量對計算結果無影響。百葉窗翅片計算模型的具體結構參數(shù)見表1。

圖1 不同百葉窗翅片形狀

圖2 模擬計算邊界條件

表1 模擬參數(shù)

2 模擬結果正確性驗證

為了驗證模擬方法的正確性，采取文獻［10］所給結構，將模擬結果與試驗值和經驗關聯(lián)式計算結果進行對比，所得結果見圖3。

傳熱j因子計算公式:

式中 h——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Pr——普朗特數(shù)

ρ——流體密度，kg/m3

u——流速，m/s

cp——比熱容，J/(kg·K)

阻力f因子計算公式:

式中 Δp——壓降，Pa

dh——當量直徑，m，取百葉窗間距Lp

Uc——流體主體流速，m/s

Lc——流道長度，m

圖3 模擬j因子與f因子與經驗關聯(lián)式計算結果以及試驗值對比

圖3為j因子以及f因子隨ReLp變化的雙對數(shù)坐標圖，模擬結果與經驗關聯(lián)式以及試驗值的對比，可以看出，傳熱特性j因子模擬值在試驗值與經驗關聯(lián)式計算值之間，結果非常接近，由于文獻中試驗沒有考查壓力降特性，阻力特性f因子模擬結果僅與關聯(lián)式計算值進行對比。從圖中還可以看出，模擬結果與關聯(lián)式計算值很接近，從而證明模擬方法的正確性。

3 模擬結果與分析

圖4示出不同百葉窗結構傳熱和阻力特性的比較。可以看出，百葉窗翅片表面形狀的變化，導致傳熱和流動特性出現(xiàn)顯著不同。梭形百葉窗翅片間流體由于接觸固體界面區(qū)域為圓弧面，與矩形百葉窗相比，降低了流動阻力，但同時也使傳熱面積相對減少，在一定程度上降低了換熱。梭形百葉窗由于在縱向方向流體流過區(qū)域發(fā)生變化，造成縱向擾動，在近壁附近，傳熱得到強化。同時，在近壁區(qū)，流體以高流量沖刷管壁，使管壁附近的溫度梯度增高，從而使傳熱強化。從圖4中還可以看出，低雷諾數(shù)時，百葉窗翅片由梭形和梯形組合具有良好的傳熱和流動特性，具有很高的傳熱因子j，同時摩擦系數(shù)f也較低。其梭形和矩

圖4 不同百葉窗結構傳熱和阻力特性的比較

圖5示出不同百葉窗傳熱特性j因子對比。可以看出，梭形百葉窗和梭/矩(1/1)形百葉窗的傳熱特性j因子變化曲線比較接近，梭形百葉窗流動截面變化比較大，流體湍動程度增加，可使傳熱增強，但梭形百葉窗傳熱面積相對減小較大，這又使傳熱減弱，綜合兩方面的影響，這兩種結構的傳熱特性基本相同。同理，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百葉窗結構的傳熱特性基本相同。

圖5 不同百葉窗傳熱特性j因子對比

圖6示出阻力特性f因子的對比曲線?？梢钥闯觯?種結構相比較，梭形百葉窗的阻力特性f因子最低，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百葉窗結構阻力特性f因子相對較高，矩/梭(2/1)形百葉窗結構的阻力特性f因子相對較低。梭形與矩形相結合的百葉窗結構具有較好的傳熱，但阻力系數(shù)相對較高。實際情況中，需要綜合考慮傳熱和阻力兩種特性的影響。形長度所占的比例存在一個優(yōu)化的空間，使得傳熱和流動效果達到最好。下面對梭形和矩形不同比例組合下的傳熱和流動特性進行考查，優(yōu)化出最優(yōu)結構。

圖6 不同百葉窗阻力特性f因子對比

試驗和理論研究中發(fā)現(xiàn)，換熱增強通常以阻力的增加為代價，因此有必要考察傳熱和流動阻力的綜合熱力性能［11－12］，根據(jù) WEBB 等［13］提出的強化流道與光滑直管的直觀、明確的評價指標，即相同換熱面積和泵功條件下，強化流道與光管的換熱量之比。流體流過換熱段所需泵功為:

式中 Δp——換熱段壓降，Pa

V——流體體積流量，m3/s根據(jù)這個評價指標，對5種不同結構的單位面積換熱量隨泵功變化進行研究，見圖7。

從相同泵功下，單位面積換熱量對比曲線圖(見圖7)中可以看出，矩形百葉窗單位面積換熱量相對較低。梭形和矩/梭(1/1)百葉窗結構的百葉窗單位面積換熱量非常接近，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)百葉窗結構的百葉窗單位面積換熱量非常接近。在泵功較低時，梭形百葉窗和矩/梭形百葉窗結構單位面積換熱量相差較小;隨著泵功的增加，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百葉窗結構具有較高的單位面積換熱量，說明這兩種結構綜合性能較好。

圖7 不同百葉窗綜合性能對比

4 結論

對5種不同結構的百葉窗結構的對流換熱特性進行模擬研究，得到以下結論:

(1)由于變截面的影響，梭形百葉窗翅片和矩形與梭形相結合的百葉窗翅片，由于沿百葉窗高度方向，流動截面發(fā)生變化，有較多流體沖刷加熱壁面，從一定程度上使傳熱增強，同時換熱面積相對矩形百葉窗減小，可使換熱相對減弱，綜合兩種因素對換熱的影響，矩/梭(2/1)形百葉窗有較高的傳熱特性j因子，傳熱性能較好。

(2)對比不同結構的阻力特性f因子，梭形百葉窗和矩/梭(1/1)形百葉窗結構具有較低的阻力，而矩/梭(2/1)形百葉窗和矩/梭(3/1)形百葉窗阻力因子相對較高。

(3)對比不同結構的綜合性能，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百葉窗結構具有較高的單位面積換熱量。由于矩/梭(2/1)形百葉窗結構傳熱特性相對較高，阻力因子較低，同時矩形和梭形兩者比例相對較低，便于制造和節(jié)省材料，建議使用此種結構的百葉窗翅片。

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